彈道學及相關物理概念 Ballistics and related physics

在上一篇文章<<21世紀的盔甲-當代防彈科技>>,小編已介紹了槍械的發射原理及不同類型的防彈物料。接下來小編會介紹彈道學涉及的科學資訊,希望大家能更全面了解被槍傷前後發生的事情。 軍械法證與彈道學的關係 彈導學在軍械法證的應用是不可劃缺的學問。簡單來說彈導學就是根據現場的環境參數和中槍者的傷勢,以科學方法進行計算從而去呈現槍擊的情境以推測槍手的射擊角度及位置、彈藥種類甚至是使用的槍械以作為偵查線索或呈堂證供。 當然有人會認為在現場找到彈殼便可以知道槍手的射擊位置,因此覺得彈導學是一種很多餘又奢侈的偵查工具。可是在現實上,若果槍擊案在建築物林立又多橫街窄巷的香港發生,尋找彈殼的工作又應從何入手呢? 所以很多時候法證人員都會先研究中槍者的傷勢及中槍時的姿態及位置以獲取第一手線索去進一步調查行凶位置。   彈道學(Ballistics) 彈道學主要按子彈的行徑為三類,每個範疇都涉及不同類型的物理學: 外彈道學(External Ballistics): 子彈離開槍管後的情況。 內彈道學(Internall Ballistics): 子彈在槍管時發射的情況。 終端彈道學(Terminal Ballistics): 子彈到達目標後的情況。   當槍手開槍時,燃點火藥使彈殼內氣體急速澎漲令子彈朝槍管外射出,子彈經過空氣並擊中目標。子彈在射出後的路徑驟眼看雖然是直線,但在彈道科學上嚴格來說子彈前進的時候因重力的影響會以拋物線形式行走,距離愈遠拋物線的軌跡愈明顯(見下圖)。 當彈頭離開槍管後,其運動的狀態會因空氣阻力及重力的影響開始偏航(Yawing),其後令彈頭在空中翻滾(Tumbling)。彈頭愈長,偏航、翻滾的程度愈大,穩定性愈低(見下圖)。

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21世紀的盔甲-當代防彈科技 The Amour of 21th Century – Anti-Ballistic Technologies

近的示威活動中曾經多次發生槍擊事件,相信大家都已參閱過各大媒體的報導,詳細案情小編就不再重複了。 無論打槍擊遊戲或是警員搜捕槍手時,防彈背心都是一種不可或缺的護具,這篇文章會重點說明防彈衣的保命原理及最新的物料科技。 廿一世紀的兵器庫裡,槍械仍然是主流的戰爭武器。各式各樣的手槍,衝鋒槍,自動步槍以及狙擊槍,都離不開同一個原理:燃點並引爆火藥,爆炸令槍管氣體澎漲,繼而推動彈頭以高速射出。 發射出的子彈具有一定的殺傷力。那是由於高速運動的彈頭加上細小的彈頭面積令強大的能量轉移在一個很小的接觸面上發生 (例如用同樣的力度按壓手臂時,用一支針比用根手指感覺更痛,更可能會刺穿)。這樣會令目標接觸面承受極大的壓力,若然接觸面強度(Compressive strength)不足,便會被穿透。所以血肉之軀的我們不幸被擊中,肯定會嚴重受傷。 防彈衣的作用就是以高強度物料為人們提供額外的物理保護。根據防彈衣的用料, 一般可分為硬性防彈衣和軟性防彈衣。 硬性防彈衣(Hard body amour) 硬性防彈衣(Hard body amour) 主要是使用高強度金屬製造, 直接利用金屬的強度阻擋彈頭進入身體。最初的防彈衣都是主要使用高強度金屬製造,外形跟中古時代的騎士盔甲相若。即使是現在也有使用鋼板的防彈背衫,雖然防彈性能高但其重量亦會令長期穿著的人機動性下降,因此很多裝備製造商開始研究輕巧且可防彈的物料來解決這問題 – 防彈瓷磚 防彈瓷磚(Anti-ballistic ceramics)

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主宰宇宙的黑暗勢力 (Dark force of the universe)

(Cover Credit: Star Wars) “The Force will be with you… always.” (引述自《星球大戰》電影系列)星戰系列又來了,Star Wars: The Last Jedi 剛剛上年底上映了,大家有沒有去戲院「朝聖」呢?(小弟雖然貴為一介科學界中的小螺絲,但本人其實並不是科幻小說/電影的狂熱份子,本人對星戰系列興趣不大) 小時候看卡通片或電影,永遠都是邪不能勝正,光明必定最終打倒黑暗這套王道故事設定結局。不過這價值觀看來在我們的社會不大適用,尤其在強國/小人當道的XX世界。但原來不止如此,更甚的是連我們身處看似「客觀公平」、浩瀚無垠^的宇宙也不奉行這套價值觀,此刻真正在統治世界的其實並不是你和我這班微不足道的人類,亦不是恆星、星系、光甚或一切現時物理學所熟識的東西,而是一股黑暗的「邪惡」能量 — 暗能量(dark energy)喔! ^宇宙是無垠與否正確說其實沒人知道。愛因斯坦也說:「有兩件事情是無限的,這宇宙與人類可以有幾愚蠢。我不太確定前者。」(“Two

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甚麼是物理?

曾幾可時,還是 (或現在尚是) 小孩子充滿好奇心的你/妳,有沒有思考過為何天空是藍色,宇宙有沒有盡頭,時間有沒有開始和終結,時空旅行可不可行?我們身為人類,自誇萬物之靈,甚至自以爲我們是獨特,「萬中無一」的,但究竟我們對自身身處的世界,宇宙又有多少了解呢? (Credit: www.mathfunny.com ) 面對這些問題,為了尋找答案,了解自然世界萬物的運作,人類創立了科學,而芸芸眾科學學科中歷史最悠久的必然要數物理學了。物理學的英文名稱physics由拉丁文physica演變而來。physica一詞源自古希臘,意指「自然」,後引申為自然世界的一切真理(但不包括人為事物,因為人類是「自以為是」,喜歡與自然作對,不按邏輯行動的生物,好像是[說笑而已])。中文「物理」一詞則可追溯至戰國時代佚書《鹖冠子·王鈇篇》(好像是),原意指一切事物的真理。隨著後來17世紀科學革命,物理學開始與自然哲學分家,成為獨立的學術領域,現在物理一詞則泛指這門研究宇宙一切物質,能量的本質與性質,及它們間相互作用的自然科學。物理學的研究涉及一切自然世界、宇宙的(根本、客觀的)真理,範疇由下至工程學,氣象學,觀星,上至宇宙學,物質最細最根本的結構,組成成份,世界的起源等等。物理學可謂是世界上最古老的學科之一,亦是自然科學中最基礎,最根本的學科,而且應用廣泛,深深影響著其他學科與人類社會文明,說它是「科學之母」也不為過。 現在隨處可見的平板電視、手提電話、電腦,我們生活上習以為常,甚至賴以為生的互聯網,全球定位系統(GPS)等等,它們的出現也是歸功於物理學的研究與一眾物理學家們的努力喔!(沒錯,互聯網的誕生也是因為CERN的物理學家,雖然只是間接原因啦![2])因此,物理,它不應該如中文同音異字「勿理」般,不應只是中學公開考試用於測試,分辨學生能力,為學生分等級的工具,它不僅與我們的生活息息相關,推動著人類文明的進步,更是我們理解世界運作及如何與大自然溝通共處最有效的工具。 雖然物理的確能帶給我們很多實質的好處,推動社會和科技進步,不過小弟暢談物理,希望大家認識物理最重要的原因當然是因爲它有趣啦!正如著名物理學家費曼Richard Feynman所言:「物理學就如同性愛一樣,儘管它們可以帶來一些實際的成果,但那並不是我們喜歡做它們的原因。」(’Physics is like sex: sure, it may give some practical results,

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科學與數學-人類對大自然的理解

愛因斯坦:「這個宇宙最不能理解的事,就是它竟然能被理解。」 科學是理解宇宙的方法。沒錯,而我相信科學是理解宇宙最有效的方法。 科學能理解宇宙,這是什麼意思?何謂理解?如果我們想深一層,「理解」的過程是沒有盡頭的。為什麼我們存在?因為有太陽提供能量給地球上的生命。為什麼太陽存在?因為星塵經由萬有引力結合成太陽。為什麼有星塵?因為宇宙誕生時產生了能量和質量。 那麼,為什麼有宇宙? 每種問「為什麼」的過程,都能夠追蹤到宇宙誕生,包括為什麼今天不小心打破了玻璃杯,其終極原因也是宇宙誕生。同樣,問基本粒子的本質是什麼,最後也只能答「因為宇宙誕生就是這樣啊」。 科學家在很久以前,問的是「為什麼(why)」,答案亦普遍停留於「定性(qualitative)」階段。然而,隨著主要由伽利略等人開始的科學革命,科學家漸漸發現使用數學能夠描述自然定律之餘,亦能做出非常精確的預測。其中,以牛頓萬有引力定律推算出彗星重臨時間的哈雷,最為人津津樂道。由17世紀發展以來的現代科學,變成一門精密的「定量(quantitative)」學問。 科學家學會了去問大自然「如何(how)」運作。這比問大自然 why 這樣運作容易回答,因為問大自然 how to 運作的答案可以用數式、數字,加上統計、歸納觀測和實驗數據而得到,並且非常精確。數學(包括統計學在內)不單止是大自然的語言,更是科學家用來理解大自然定律的語言。 在科學中,「理解」就是數學方程式。不管我們願不願意接受,數學都是描述和預測自然定律最精確的語言。把我們觀察到的數據歸納,以最少的假設建立一個能夠描述這些數據的數學模型,並對大自然作出預測,就是現今科學家的日常工作。 當然,我們可能不會滿足於問 how。人類是求知慾很強的生物,我們渴望知道 why。這也是很多著名的科學家說過的;很多科學家都說我們應該理解數學背後的物理概念,而非單純滿足於公式和數字。 我們會高興地說:「看!愛因斯坦和費曼等科學家都說過,理解物理公式不代表真正理解物理!」且慢。這個結論下得太快了;快點把你寫滿數式的筆記找回來。可能理解物理公式真的不代表理解物理概念,我不肯定;但我能肯定的是,不理解物理公式,就不可能理解物理概念。 會說出「物理不是數學」的科學家,他們之所以會這樣講,是因為他們已經把物理公式理解得相當透徹。他們達到一個層次、擁有的堅實數學能力讓他們是時候向下一步進發:不用數學而理解物理。不過,這一步,誰也不能保證成功,就連愛因斯坦、費曼等人都不可能保證成功。 每個科學家都知道,能夠不用數學就理解的自然定律少之又少;大部分的情況下,人類對自然定律的最終理解就是那堆數式、符號和數字。 這代表我們理解宇宙的嘗試失敗了嗎?非也。能夠利用數學去描述自然定律,還能得到非常不錯的預測,已經是非常厲害的壯舉。如果我們仔細思考,我們甚至會認為這個壯舉厲害得近乎不可思義。例如在2015年探測到的重力波,竟然是愛因斯坦在100年前發表的高度數學化的重力理論——廣義相對論——的預言。又例如在上世紀發展到今天的量子力學,其預測能力只有越來越精準,百多年來無數個實驗測試它都一一通過了。這些科學成就,無不是建立在科學家對物理公式的徹底理解之上。

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Universe

甚麼是宇宙學?

宇宙學不是天文學 相信很多人大概都知道或學過一些簡單天文知識,好像九大行星(好像改了成八大行星,不管了),知道甚麼是星系、恆星(其實我比較喜歡英文的叫法: galaxy, stars, planets 比起中文甚麼也叫星清楚得多),亦起碼有宇宙這個概念。可是一般人大都不明白甚麼是宇宙學,最多只聽過 Big Bang Theory 、霍金,普遍也認為宇宙學是天文學的分支——小弟當年也是,所以起初報讀錯了物理加天文學課程。 其實兩者有很大差別,天文學主要係研究恆星、星系,行星這些相對規模較小的東西;宇宙學的研究對象是整個宇宙,探索它的結構、起源和演進過程。當然兩者有重疊,關聯的地方,但其實在大部份範疇,宇宙學與理論物理/粒子物理學 (particle physics) 反而更接近(聽過 LHC 吧?),宇宙學亦包括研究相對論在極端情況下的正確性,探討相對論以外的可能性。 現行之模型 宇宙學建基於愛因斯坦的相對論 (General Relativity)

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淺談 E=mc^2:愛因斯坦 137 歲誕辰

每年的 3 月 14 號是 Pi Day 圓周率日,因為 Pi = 3.141529……。 今天同時也是愛因斯坦 137 歲生日。去年 3 月 14 號,我寫了《拋開常識的學者.愛因斯坦》一文去紀念這位物理學家的 136 歲誕辰。文中我介紹了愛因斯坦的前半生平。關於他的成名之作相對論,我後來也在其他文章了作了簡單介紹,包括《你也能懂相對論》淺談狹義相對論的基本數學和《照亮相對論的光(上)、(下)》介紹了相對論與電磁學的關係。

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